способ получения монокристаллов антимонида индия, легированного оловом

Формула изобретения

Способ получения монокристаллов антимонида индия, легированного оловом, путем облучения полным спектром реакторных нейтронов с последующим нагревом, отжигом и охлаждением, отличающийся тем, что, с целью повышения подвижности носителей заряда и электрической активности легирующей примеси в монокристаллах, нагрев ведут со скоростью 20÷40 град./мин до температуры отжига, определяемой по формуле

T_отж=450+(lgN _Sn-14)·7[°С],

где N_Sn - концентрация вводимой легирующей примеси олова [см ^-3], отжиг проводят в течение 20 мин, а последующее охлаждение ведут со скоростью 5÷10 град./мин до температуры 350÷400°С, а затем со скоростью 20÷40 град./мин до комнатной температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии полупроводниковых соединений типа А^IIIВ^V и может быть использовано при получении монокристаллических пластин антимонида индия, легированного оловом.

Монокристаллы антимонида индия легируются традиционно в процессе выращивания из расплава методом Чохральского. Данный способ обладает рядом недостатков и, в первую очередь, высокой неоднородностью распределения легирующей примеси в объеме материала (до 15÷20% по диаметру и до 50÷100% по длине слитка); низкой стабильностью параметров после термообработки; высокой степенью компенсации. Кроме того, легирование монокристаллов антимонида индия оловом в процессе выращивания невозможно реализовать до концентраций выше 5÷7×10¹⁶ см^-3 ввиду низкого коэффициента распределения олова. Широкое применение антимонида индия в производстве электронных приборов, высокая степень интеграции приборов выдвигают более жесткие требования к качеству и геометрическим размерам монокристаллов. Улучшение параметров материала металлургическими способами в процессе выращивания монокристаллов в настоящее время практически не возможно.

Целью изобретения является легирование пластин антимонида индия оловом до высоких концентраций, повышение однородности распределения олова и подвижности электронов.

Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа легирования монокристаллов антимонида индия оловом, включающего введение олова в твердый образец, термообработку и охлаждение, олово вводят путем облучения потоком частиц, содержащим тепловые нейтроны, нагрев ведут со скоростью 20÷40 град/мин, термообработку проводят в течение 20 мин при температуре, определяемой зависимостью

T_отж=450+(lgN_Sn -14)·7

где N_Sn - концентрация вводимой легирующей примеси олова [см^-3 ].

Причем охлаждение ведут сначала со скоростью 5÷10 град/мин до температуры 350÷400°С, а затем со скоростью 20÷40 град/мин до комнатной температуры.

Облучение антимонида индия тепловыми нейтронами приводит к превращению изотопа In¹¹⁵, составляющего 96% естественной смеси, в олово по реакции

In¹¹⁵(n, )In¹¹⁶ Sn¹¹⁶.

Образующиеся атомы олова в узлах катионной подрешетки проявляют себя как доноры.

Распределение вводимой примеси по глубине (в направлении потока частиц) имеет следующий характер:

N_Sn (x)=Ф_тN₀K exp(-N₀Kx),

где Ф _т - флюенс тепловых нейтронов, см^-2 ; N₀ - концентрация атомов вещества, см ^-3; К - содержание необходимого изотопа, %, - сечение активации изотопа, см² .

Величина флюенса тепловых нейтронов определяется заданной величиной концентрации олова согласно зависимости

Ф _т=N_Sn/N₀K ,

где N_Sn - концентрация олова, вводимого в результате ядерных реакций.

При толщине образца d<<(N₀K )^-1 получается равномерно легированный образец.

Отжиг образцов в указанных условиях обеспечивает удаление радиационных дефектов, возникающих в материале в процессе облучения.

При скорости нагрева меньше 20 град/мин в материале в результате диффузии точечных структурных дефектов образуются частично скоагулированные термостабильные кластеры, отжиг которых требует более высоких температур.

Верхний предел скорости нагрева 40 град/мин обеспечивает полное разрушение различного рода скоплений точечных дефектов. Превышение этого предела приводит к появлению новых дефектов, ухудшающих однородность распределения вводимой примеси.

Так как температура термообработки, при которой происходит полный распад радиационных дефектов, зависит от флюенса нейтронов, то было выведено уравнение, которое позволяет при заданной скорости нагрева достаточно точно определить оптимальную температуру термообработки в зависимости от флюенса тепловых нейтронов. Продолжительность термообработки, как показывает опыт, должна быть не менее 20 мин. При времени выдержки меньше 10 мин не успевают полностью аннигилировать радиационные дефекты.

Оптимальный режим охлаждения кристалла после отжига радиационных дефектов является ступенчатым. При этом на первом этапе скорость охлаждения должна быть в пределах 5÷10 град/мин до температуры 350÷400°С. Необходимость в такой скорости вызвана тем, что кристалл должен пройти нижний предел пластичности с оптимально низкой скоростью, чтобы исключить генерацию дополнительных дефектов, образующихся при охлаждении в режиме закалки. Верхний предел скорости охлаждения, при которой начинают возникать дополнительные дефекты, определен экспериментально и равен 10 град/мин.

При скорости охлаждения ниже 5 град/мин успевает произойти перестройка совокупности точечных структурных дефектов, например, с образованием необратимых кластеров, в состав которых входят атомы олова, не проявляющие донорных свойств. Этот процесс имеет место при достаточно длительной выдержке материала при температурах ниже 350÷400°С, поэтому охлаждение облученного кристалла от 350÷400°С до комнатной температуры следует вести с большей скоростью, порядка 20÷40 град/мин. При этом верхний предел скорости охлаждения определяется механической прочностью термообработанного материала.

Подобный режим термообработки позволяет избавиться от радиационных дефектов, улучшить однородность электрофизических свойств кристалла и повысить подвижность носителей заряда. Оптимальную температуру отжига вычисляли по формуле в зависимости от флюенса тепловых нейтронов.

Пример 1.

Нелегированный монокристалл антимонида индия, полученный методом Чохральского, диаметром 76 мм с концентрацией и подвижностью электронов 6×10 ¹³ см^-3 и 5×10 ⁵ см² В^-1 с ^-1 соответственно при 77 К и неоднородностью распределения носителей заряда по диаметру 23% разрезают на пластины толщиной до 2 мм, которые вводят в канал ядерного реактора и облучают полным спектром реакторных нейтронов при интенсивности потока тепловых нейтронов 1×10¹² см ^-2 с^-1 до набора флюенса тепловых нейтронов 2×10¹⁷ см ^-2. После дезактивации образцы запаивают в вакуумированную кварцевую ампулу для последующего отжига.

Зная флюенс нейтронов, по предлагаемой формуле предварительно рассчитывают температуру отжига радиационных дефектов:

T_отж =450+(lgN_Sn-14)·7[°С].

Затем подготовленную ампулу с облученными образцами помещают в печь сопротивления и нагревают со скоростью 20 град/мин до температуры 470°С, выдерживают при этой температуре в течение 20 мин, затем охлаждают до температуры 350-400°С со скоростью 10 град/мин, далее до комнатной температуры со скоростью 20 град/мин. После термообработки измеряют коэффициент Холла, что подтверждает наличие концентрации электронов в кристалле на уровне 4×10 ¹⁷ см^-3. При этом подвижность электронов составляет =50000 см^-2 В^-1 с^-1, а неоднородность распределения концентрации электрически активного олова по диаметру пластины составляет =1,7%.

Пример 2.

Нелегированный монокристалл антимонида индия, полученный методом Чохральского, диаметром 76 мм с концентрацией и подвижностью электронов 6×10 ¹³ см^-3 и 5×10 ⁵ см² В^-1 с ^-1 соответственно при 77 К и неоднородностью распределения носителей заряда по диаметру 23% разрезают на пластины толщиной до 2 мм, которые вводят в канал ядерного реактора и облучают полным спектром реакторных нейтронов при интенсивности потока тепловых нейтронов 1×10¹² см ^-2 с^-1 до набора флюенса тепловых нейтронов 2×10¹⁸ см ^-2. После дезактивации образцы запаивают в вакуумированную кварцевую ампулу для последующего отжига.

Зная флюенс нейтронов, по предлагаемой формуле предварительно рассчитывают температуру отжига радиационных дефектов:

T_отж =450+(lgN_Sn-14)·7 [°С].

Затем подготовленную ампулу с облученными образцами помещают в печь сопротивления и нагревают со скоростью 40 град/мин до температуры 480°С, выдерживают при этой температуре в течение 20 мин, затем охлаждают до температуры 350-400°С со скоростью 20 град/мин, далее до комнатной температуры со скоростью 40 град/мин. После термообработки измеряют коэффициент Холла, что подтверждает наличие концентрации электронов в кристалле на уровне 4×10 ¹⁸ см^-3. При этом подвижность электронов составляет =30000 см² В^-1 с^-1, а неоднородность распределения концентрации электрически активного олова по диаметру пластины составляет =2,1%.

В таблице 1 приведены данные, характеризующие влияние температуры термообработки, скоростей нагрева и охлаждения на электрофизические параметры материала, легированного оловом путем облучения нейтронами.

По сравнению с базовым объектом, за который принят способ легирования антимонида индия в процессе кристаллизации из легированного оловом расплава, предложенный способ позволяет получить материал, имеющий приблизительно на порядок меньшую неоднородность по концентрации электронов и подвижность, большую на 10-30%, для конкретной концентрации носителей заряда.

Источники информации

1. А.Я.Нашельский. Производство полупроводниковых материалов. Москва, "Металлургия", 1989 г., 271 с.

2. Н.Г.Колин, Д.И.Меркурисов, С.П.Соловьев. Электрофизические свойства ядерно-легированного антимонида индия. ФТП, т.33, вып.7, с.774, 1999 г.